面向高端装备承力结构的超声导波检测系统

针对高端装备承力结构的健康监测问题,研制了集成128个传感器通道的超声导波检测系统,包括集成化的压电传感智能层、系统主机和具有损伤实时定位功能的上位机软件3部分。首先,通过优化智能层外观与叠层设计、提高主机输出功率、自适应放大响应信号、增加串扰抑制电路等措施,保证系统能够在复杂环境中可靠运行;其次,搭建不同的测试环境,分别对系统的串扰抑制效果、定位准确性和变温变振动条件下信号的稳定性进行验证。结果表明:系统实现了对不同强度串扰信号的剥离;损伤定位误差为毫米级;温度和振动干扰引起的损伤指数较模拟损伤小1个数量级。该超声导波检测系统稳定性高、环境适应性强,可作为在线监测仪器用于高端装备承力结构的健康监测。

基于深度置信网络铝合金加筋板冲击损伤识别

铝合金加筋板是卫星、空间站和飞船等航空航天装备关键结构,对其损伤状态进行监测和识别是评估航天器健康状态的前提和基础。针对传统机器学习方法对人工特征提取的依赖性,利用实验模拟与数值仿真相结合的方法,获取铝合金加筋板损伤声发射信号并计算其幅频特性,建立损伤数据集,基于深度置信网络构建冲击损伤智能识别模型进行损伤特征自适应提取,结合Softmax分类器开展了冲击损伤识别研究,并与传统的支持向量机和反向传播(back propagation,简称BP)神经网络识别结果进行了对比。实验结果表明:在2 200 mm×500 mm×10 mm的铝合金加筋板板上对68个测试区域进行了多次冲击损伤识别,在15 300次实验中实现了15 218次冲击损伤准确识别,正确率为99.47%。该研究结果为航天器结构的损伤监测提供了有效方法。

用户侧多能源数据采集系统设计与应用

针对国家电网用户侧多能源数据采集需求,该文提出了一种用户侧多能源数据采集系统设计方案。所设计的系统依托采集稳定可靠、通信通道多样、系统扩展性好的用电信息采集系统,采用自下而上的终端及网络传输层、协议管理层、数据服务层和功能应用层四层架构,通过研制通信接口转换器,将水、气、热表数据引入用电信息采集系统,解决了用户侧多能源采集中通信标准不统一、技术方案不统一等问题,实现了用户侧多能源数据的有效获取。通过在江苏省多市开展现场试点应用,验证了系统的稳定性和可靠性,为用户侧水、电、气、热等多能源数据的获取提供了一种有效的技术方案。

新型FBG振动传感器的研究与实现

针对常用振动传感器灵敏度低、测量范围小以及材料缺陷等缺点,在分析光纤布拉格光栅(FBG)传感原理的基础上,设计了一种基于悬臂梁结构匹配光栅滤波解调的振动传感器。通过附加电磁阻尼,提高了传感器的灵敏度以及信号检测的稳定性,扩大了频率测量范围。利用激振器标准信号进行振动测试实验,并加以傅里叶分析,得到了良好的实验结果。通过实验测试证明:无失真检测频率可达300 Hz,系统频带宽,稳定性好,灵敏度高。

机械感生长周期光纤光栅的可调谐环形光纤激光器

将采用机械感生法写制的长周期光纤光栅(MLPFG)串入环形腔中,设计了一种新颖的L波段可调谐环形掺铒光纤激光器(EDFL)。抽运光源为980nm半导体激光器,使用掺铒浓度为5×10-4,长度为12m的铒纤作为增益介质,通过调整待写制光纤与周期性压力槽之间的夹角,改变MLPFG的写制周期,调谐MLPFG透射谱,进而影响环形腔增益最高点,光纤激光器波长可调谐范围可达42nm(1562.465～1604.280nm),激光光谱3dB带宽<0.04nm,20dB带宽<0.08nm,边模抑制比>45dB。长时间观测表明,激光功率稳定性优于0.2dBm。实验显示,该光纤激光器具有带宽较宽,线宽较窄及性能稳定等特点。

机械感生长周期光纤光栅的实验

为了研究机械感生长周期光纤光栅(MLPFGs)的特性,利用机械微弯法写制了长周期光纤光栅。采用机械先加工技术制作了周期性压力槽,通过设计机械写制结构,制作了MLPFGs,并实验验证了周期性压力槽的周期、周期数以及外加应力等参数与MLPFGs透射谱的关系。最后,研究了温度对带有涂敷层和无涂敷层单模光纤写制的MLPFGs的影响。实验表明:MLPFGs的最大谐振峰值可达16dB,插入损耗<0.5dB;通过改变压力槽的周期,实现了谐振波长>14nm的调谐范围;带有涂敷层和无涂敷层单模光纤写制的MLPFGs谐振波长的温度灵敏度分别为0.057nm/℃,0.086nm/℃,谐振峰值的温度灵敏度分别为0.230dB/℃,0.312dB/℃。该写制结构能较好地控制MLPFGs的透射谱,同时结构简单、易擦除、成本低,在光纤传感领域具有一定的应用价值。

基于PM-FBG的可开关双波长掺铒光纤激光器

利用保偏光纤光栅(PM-FBG)设计了一种线性腔可开关双波长掺铒光纤激光器。由于与保偏光纤光栅两个反射峰对应的激射双波长的两纵模在偏振态上是正交的,在均匀展宽的掺铒光纤中增强的偏烧孔(PHB)效应减小了不同模式间的竞争,因此可在常温下得到稳定的双波长。另外,通过调整偏振控制器的状态,可使激光器在稳定的双波长状态或在两波长之间转换。实验结果表明,在100 mA的泵源电流抽运下,双波长同时激射时的激光消光比大于36 dB,室温下激光工作稳定,5 h内,激射激光双波长基本无变化,峰值抖动小于0.06 dB。最后验证了泵源驱动电流与激射光谱的关系。

基于周期性矩形压力槽的可调谐长周期光纤光栅(英文)

利用机械线加工技术设计矩形压力槽制作了周期为600μm,周期数为60的长周期光纤光栅.实验研究了所制作长周期光纤光栅的温度和压力特性,并通过调整光纤和压力槽之间的角度改变长周期光纤光栅的谐振波长.采用此技术制作的长周期光纤光栅最大谐振峰值可达15dB,通过调整光纤与压力槽之间的角度可使谐振波长变化超过12nm.

基于ARM的新型光纤智能监控系统

设计了一种光纤传感智能健康监测系统,该系统利用32位ARM芯片LPC2214作为检测控制核心,一方面对经放大光电转换和放大后的信号进行采集、A/D变换、液晶显示控制,判断结构体的损伤位置,进而蜂鸣报警,另一方面利用其网络接口与上位机进行通信,在上位机利用VB编写软件程序,创建光纤传感智能结构的健康日志,对结构体健康状况变化进行二维、三维显示。实验表明:利用该系统能快速准确地对结构体的状态进行损伤位置判定等健康监测,与传统的结构体检测系统相比,该系统具有判断及时准确、光路切换稳定方便、便携以及远程控制等特点。

分布式光纤测温系统在石油测井中的应用

重点论述了观察井测温在油田开采中的重要性和所面临的问题,介绍了分布式光纤温度传感(DTS)技术原理以及在油田温度监测中的应用。最后展望了光纤分布式测温传感器在油田测试中的应用前景。

基于纳米覆膜光纤F-P传感器的折射率光谱特性

采用层层组装和化学共价交联的方法对光纤Fabry-Perot(F-P)干涉传感器的端面进行了纳米聚电介质覆膜修饰,并实验研究了覆膜后传感器的折射率响应光谱特性。选择聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)为纳米覆膜材料,随着覆膜层数的增加,光纤F-P传感器的反射谱对比度呈现由高到低,再到高的规律,且反射谱对比度具有良好的温度稳定性。选取覆膜层数为20双层的光纤F-P传感器对一系列浓度的蔗糖和无机溶液进行了折射率光谱响应测试,实验测得折射率检测拐点由1.457延伸至1.4623,对低折射率物质的折射率灵敏度为24.53dB.RI-1,对高折射率物质的折射率灵敏度为3.60dB.RI-1,且均具有良好的线性。研究结果为光纤F-P传感器对低折射率物质的功能化检测提供了新方法。

基于LPFG微弯特性的高精度位移检测系统

在研究长周期光纤光栅(LPFG)温度及微弯特性的基础上,通过引入聚合物温度增敏封装后的光纤布拉格光栅(FBG)作为解调滤波器,搭建了温度自补偿微位移检测系统.将LPFG粘贴于试件上进行微弯测试,在固定波长处,其插入损耗的变化与弯曲度变化呈线性关系.为解决LPFG带宽宽、谐振波长难以精确测量的问题,选择特定波长的FBG作为滤波器,实现了位移检测系统的功率化解调.同时,对FBG利用聚合物进行了温度增敏封装,使其温度灵敏度与LPFG尽量相同,消除了温度对系统的影响.试验结果表明,传感系统输出的光功率与微位移呈良好的线性关系,位移灵敏度为2μW/mm,分辨力为0.5×10-2mm.所设计的系统结构简单、灵敏度高、线性度好,不受外界温度干扰.

基于周期性压力槽的可调谐长周期光纤光栅特性研究

利用周期性压力槽方法制作了可调谐长周期光纤光栅。实验研究了该型长周期光纤光栅的压力和温度特性;结合光纤的弹光效应、热光效应和耦合模理论分析了实验结果。设计制作的周期性压力槽的周期为600μm,周期数60个,光栅长度36mm;长周期光纤光栅的最大谐振峰值损耗可达15dB。通过改变压力槽与光纤之间的夹角实现了谐振波长可调范围不小于12nm。制作的长周期光纤光栅具有谐振波长和峰值损耗均可调谐、成本低、较好的应用前景等优点。

机械感生可调谐长周期光纤光栅的特性研究

在耦合模理论分析的基础上,利用机械线加工技术设计周期性压力槽,基于机械感生原理写制了可调谐长周期光纤光栅(LPFG)。设计周期性压力槽的周期为600μm,周期数60,长周期光纤光栅最大谐振峰值损耗可达18 dB,通过改变压力槽与光纤之间的夹角实现了谐振波长可调范围不小于12 nm,并实验研究了LPFG的压力和温度特性。制作的长周期光纤光栅具有谐振波长和峰值损耗均可调谐、成本低以及可擦除等优点。

基于柔性铰链结构的高灵敏度低频光纤光栅加速度传感器

设计了一种基于柔性铰链结构的光纤光栅加速度传感器,进行了结构理论分析,并构建有限元模型仿真分析了传感器的加速度传感特性。基于F-P滤波器构建了具有温度自补偿功能的光纤光栅加速度检测系统,并通过增加反馈控制电路,对F-P滤波器进行反馈控制,实现了系统的零点自温度补偿。对系统的特性进行了实验测试,结果表明:系统对加速度的连续激励信号和冲击激励信号均有良好的动态响应,系统的固有频率为380.0Hz,动态响应范围可达65.6dB,频率响应范围为10.0~240.0 Hz,灵敏度为236 pm/g,所设计的加速度传感器具有较强的横向抗扰能力,干扰方向灵敏度仅为工作方向灵敏度的3.5%。

基于光纤光栅传感器的复合材料损伤识别系统

利用光纤布拉格光栅(FBG)构建了传感器网络;结合小波分解与重构算法、频谱分析和支持向量多分类机算法研究了碳纤维复合材料板损伤的模式识别算法。首先,对带有不同损伤模式的复合材料结构进行冲击试验,探索损伤模式与信号特征之间的关系。然后,对信号进行小波分解与重构去除基线干扰;采用傅里叶变换频谱分析提取信号幅频特性,构建了复合材料结构损伤模式识别方法。最后,将提取的信号幅频特性作输入,复合材料结构损伤模式作输出,利用支持向量多分类机,实现了复合材料结构损伤模式识别。在500mm×500mm×2mm的碳纤维复合材料板中心,选定200mm×200mm的实验区域,对30组测试样本进行了损伤模式识别。实验结果表明:29组损伤模式得到了准确识别,正确率为96.7%。研究结果为碳纤维复合材料板的损伤模式识别提供了一种可靠的方法。

基于光纤光栅的铝电解槽温度在线检测系统

针对现行铝电解生产过程中槽壳温度检测中存在的不足,通过分析铝电解槽热传导与散失,基于光纤光栅抗电磁干扰及耐腐蚀的优点,设计了新型温度传感器,并结合时分、波分复用技术构建了单槽104点实时温度监测系统。设计的FBG传感器测温范围为-20℃~400℃,精度为±2℃,监测系统巡检周期为20 s。系统所测得的温度为铝电解的工艺控制和槽况诊断提供了实时可靠的依据。

基于光纤光栅阵列和MVDR算法的声发射定位

基于光纤光栅(FBG)传感器网络构建了声发射检测系统,并提出了最小方差无失真响应(MVDR)的声发射源定位方法。构建的系统由7个FBG传感器组成传感器线阵列,采用未经平坦的放大自发辐射(ASE)光源边缘滤波实现信号解调。利用Shannon小波变换从频散复杂的声发射信号中提取窄带信号,并基于MVDR算法扫描整个监测区域获取空间谱。根据空间谱函数计算输出值,并将计算的输出值作为像素值。最后,通过提取空间谱中的最大值的坐标确定声发射源的位置。在LY12铝合金板上进行了实验验证。结果表明,该方法在400mm×400mm的区域内,声发射定位的最大误差为9.4mm,平均误差为7.2mm,耗时小于3s。该系统具有较高的实时性和定位精度,是一种声发射源定位的新方法。

强度解调的光纤光栅振动检测硬件电路设计与实验研究

在对光纤光栅强度解调方法研究的基础上,利用Fast FET放大器AD8065设计了高速光电转换电路,并基于边缘滤波强度解调原理构建了光纤光栅振动检测系统。该系统具有成本低、解调速度快等特点。在实验中,引入使用美国国家仪器(NI)有限公司的电子电路仿真软件Multisim的仿真实验与构建的光纤光栅振动检测系统进行对比。实验结果表明,光纤光栅振动检测系统具有良好的幅频响应,频率响应范围可达5 Hz^1 000 Hz,为光纤光栅振动检测提供了一种新的可靠手段。

基于光纤光栅的冲击激励声发射响应机理与定位方法研究

在对冲击激励声发射应力波在铝合金板上的传播机理进行分析的基础上,利用ABAQUS软件构建了钢球冲击铝合金板几何模型,仿真分析了冲击应力波传播过程.理论分析了冲击应力波与FBG传感器的作用机理,基于边缘滤波原理构建了声发射传感系统,采集冲击激励声发射应力波,建立了声发射区域定位模型,提出了基于扩散映射与支持向量机(SVM)的声发射区域定位方法并进行了实验验证.在300 mm×300 mm×2 mm的铝合金板上对36个测试区域进行了多次声发射区域定位实验,实验结果表明,扩散映射结合SVM的定位结果较优,区域定位精度为30 mm×30 mm,定位正确率为97.5%,耗时0.781 s.研究结果为声发射区域定位检测提供了一种有效方法.